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1、第2章 核酸的结构与功能,Structure and Function of Nucleic Acid,王丽影 7-316 54237659 Liying_wang,第一节. 核酸的化学组成及一级结构 1学时 第二节. DNA的空间结构与功能 1学时 第三节. RNA的结构与功能 1学时 第四节. 核酸的理化性质 第五节. 核酸酶,1学时,什么是核酸？,1869年核酸最早分离自外科绷带脓细胞的细胞核，当时发现这种物质含磷量之高超过当时发现的任何一种有机物，并且含有很强的酸性，故得名核酸。 1909年其组成被研究清楚，1944年生物功能初步澄清，在X射线衍射技术支持下1953年结构澄清。 核酸是
2、脱氧核糖核酸（DNA）与核糖核酸（RNA）的通称。,前言：核酸的分类与功能,染色体是DNA的载体,DNA可通过复制遗传给下一代,(1)DNA是主要的生物遗传物质,DNA的组成差异决定了细胞中所有蛋白质、RNA的结构特征,子代利用遗传下来的DNA可以制造与父代相同的RNA、蛋白质，故种瓜得瓜、种豆得豆。 多细胞的DNA控制了细胞分化、个体形成乃至个体的生老病死。 任何一个多细胞生物的体细胞都含有完全相同的DNA。,体细胞克隆技术由动物体内一个细胞经过无性生殖过程进而发育形成的动物个体为克隆动物。,当给予合适的条件时，任何一种体细胞都能变化为一个完整的个体体细胞克隆技术；,白绵羊的体细胞核,黑 绵
3、羊的去核卵细胞细胞质,植入,山羊子宫,？,多莉（1997.7.23）,2001.1.12日第一只克隆野牛诞生。 科学家成功地将奶牛卵子中的细胞核 剔除，植入印度野牛皮肤细胞的细胞核。细胞核包含了所有野牛成 长所需的基因资料。奶牛即将分娩，不过，即将诞生的不是 一只奶牛，也非奶牛和野牛的杂交种，而是一只印度野牛。 这个试验的成功，将为挽救世界上大量的濒危野生动物带来 希望。,动物克隆的目的 保持优良种性的牲畜性能不发生退化； 拯救濒危生物；,第一只克隆野牛,基因（gene 开始、发育的意思） （古代）种质（猜想) （十九世纪）孟德尔遗传颗粒（推断） （二十世纪初）摩尔根染色体是基因的载体（蛋白质
4、？核酸？） （1944年）DNA是基因的化学载体,第一节 核酸的化学组成及一级结构 一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,核酸,核苷酸,水 解,核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。,核苷酸(ribonucleotide),嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),碱基的互变异构体,碱基,RNA,DNA,嘧啶环,嘌呤环,尿嘧
5、啶 U,胸腺嘧啶 T,胞嘧啶 C,鸟嘌呤 G,腺嘌呤 A,稀有碱基,嘌呤次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、N2、N2-二甲基鸟嘌呤。 嘧啶5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、4-巯尿嘧啶 都是基本碱基的化学修饰型。,鸟嘌呤,次黄嘌呤,1-甲基次黄嘌呤,戊糖,核糖 (in RNA),2脱氧核糖 (in DNA),核苷,核苷酸,磷酸,碱基,戊糖,H2O,H2O,碱基,磷酸,戊糖,糖苷键,酯键,核苷酸,碱基连接（糖苷键）,酯键,（对DNA为H）,1,2,3,4,5,八种核苷酸如下表所示,M-单(D-二。T三） ；P-磷酸 RNA的名称为某（单、二、三）苷酸，DNA在某（单、二、三）前加脱氧两字。
6、如AMP称腺苷磷酸(或腺苷酸），dAMP称为脱氧腺苷磷酸（脱氧腺苷酸）。 稀有核苷酸与上类似；,二、DNA是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成的大分子,一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiester bond)。 多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。,二、 核酸的一级结构,DNA的一级结构 DNA的一级结构是指DNA上的核苷酸排列顺序。 (核苷酸相当于氨基酸、单糖的角色）,脱H2O 酯键相连,3，5-磷酸二酯键,首,尾,DNA一级结构的简写形式
7、,核苷酸顺序又称碱基顺序，是蛋白质与RNA结构的生物语言。,A,核苷酸,首端,末端,三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯键的线性大分子,RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性；,RNA的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。,定义 核酸中核苷酸的排列顺序。 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。,四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,DNA和RNA的区别,第二节 DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA,一、DNA的二级结构是双螺旋结构,（一）研究背景： 1952年，E.charg
8、aff测定了DNA中4种碱基的含量，发现其中腺嘌呤与胸腺嘧啶的数量相等，鸟嘌呤与胞嘧啶的数量相等。这使沃森、克里克立即想到4种碱基之间存在着两两对应的关系。 1953沃森、克里克通过维尔金斯看到了富兰克琳在1951拍摄的一张十分漂亮的DNA晶体X射线衍射照片，这一下激发了他们的灵感。沃森、克里克在他们的办公室里用铁皮和铁丝搭建着模型。第一个DNA双螺旋结构的分子模型诞生了。双螺旋结构显示出DNA分子在细胞分裂时能够自我复制，完善地解释了物种要保持稳定，细胞内必须有遗传属性和复制能力的机制。这是生物学的一座里程碑，分子生物学时代的开端。 他们在1953年于Nature杂志上报告了这一发现。 19
9、62年，Watson、Crick和Wilkins共同分享诺贝尔奖。,碱基互补配对: 鸟嘌呤/胞嘧啶,碱基互补配对: 腺嘌呤/胸腺嘧啶,DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为2nm，形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)相间。,（二） DNA双螺旋结构具有特征性 （Watson, Crick, 1953）,1.DNA是反向平行、 右手螺旋的双链结构,5,3,5,3,以大拇指为旋转前进的方向，与右手四指同向为右手螺旋。 反之为左手螺旋。,碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形
10、成氢键配对（互补配对形式：A=T; GC） 。 相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。,DNA双链模型,氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。,DNA 一 股 的 核 苷 酸 序 列 与 另 一 股 的 序 列 互 补（A-T、G-C）。,DNA结合蛋白质模体： 锌指 螺旋-环-螺旋 螺旋-转角-螺旋 亮氨酸拉链,螺旋,螺旋,环,（三）DNA双螺旋结构的多样性,二级结构B型双螺旋结构,大 部 分 DNA 所 具 有 的 双 螺 旋 结 构 ， 亦 称 为 B 型,在 真 核 及 原 核 细 胞 皆 有 证 据 显 示 短 的 Z 型 DNA 存
11、在 。,其他类型的DNA双螺旋,Z 型 DNA左旋、细长,三种DNA构型的比较,双螺旋结构的稳定因素,DNA双螺旋在生理状态下十分稳定，结构不发生变化。,（四）DNA的多链螺旋结构,在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。,Hoogsteen碱基配对 形成三股螺旋DNA,Hoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了CGC的三链结构(triplex)。,三链结构,3,4,7,6,7,3,4,6,DNA 3的羟基末端存在GT重复序列，鸟嘌呤之
12、间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。,四链结构,端粒DNA富含鸟嘌呤(G)的DNA序列，这些富含鸟嘌呤的序列在生理条件下通过G碱基间Hoogsteen氢键能够形成一种特殊的DNA二级结构一鸟嘌呤四链体(简称G-四链体)。G-四链体的形成或拆散可能涉及到体内的一些重要生理过程的调控，比如：细胞凋亡、细胞增殖、信号转导和肿瘤形成等。,4条多聚鸟嘌呤核苷酸链形成四螺旋DNA,二、DNA的高级结构是超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与D
13、NA双螺旋方同相同。,负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。,意义 DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。,（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构,原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。,（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构,真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。 在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。,负超螺旋 （右手拓扑结构）,反之，则
14、为正超螺旋 自然界通常为负超螺旋。,提问：DNA形成三级结构及染色体的意义何在？,答案：压缩分子空间,人体每个体细胞DNA长2m,细胞直径0.1mm,细胞核0.05mm,（三）拓扑异构酶改变超螺旋的数量和类型,拓扑异构酶（Topoisomerase）催化DNA连环数的改变,概念：能够引起拓扑异构反应的酶。 作用：对DNA分子的作用是既能切开又能连接磷酸二酯键，使DNA不至于打结，适当时候又把切口封闭，使DNA的拓扑异构体发生改变。 类型：大肠杆菌至少有2型4种拓扑异构酶。型拓扑异构酶包括拓扑异构酶和拓扑异构酶 ，其功能是去除负超螺旋而松弛DNA ；型拓扑异构酶包括拓扑异构酶和拓扑异构酶，其功能
15、是引入负超螺旋 。 真核生物细胞同样有I型拓扑异构酶和II型拓扑异构酶。I型拓扑异构酶，包括拓扑异构酶I 和III；II型拓扑异构酶，包括拓扑异构酶II和II。与原核生物的拓扑异构酶不同，真核生物的拓扑异构酶I能消除负超螺旋也能消除正超螺旋，拓扑异构酶III只消除负螺旋，但活性较低。,DNA超螺旋结构的电镜图象,原核生物以及真核生物细胞器环状DNA的超螺旋三级结构,DNA染色质呈现出的串珠样结构。 染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。,DNA染色质的电镜图像,DNA：约200bp 组蛋白：H1,H2A， H2B,H3,H4,核小体(nucleosome)是染色质的基本组成单位，由
16、DNA和蛋白质构成 。 核小体的组成: 核心颗粒: DNA 150bp, H2A，H2B,H3,H4 连接区: DNA 60bp, H1,核小体串珠样的结构,近2米长DNA经过多次折叠，被压缩了800010000倍，组装在直径只有为数微米的细胞核内,真核生物的染色体,端粒,着丝粒,端粒,端粒和着丝粒的结构示意图,基因，分散的重复序列和多重复制起点,真核生物染色体有端粒和着丝粒两个功能区,端粒酶,端粒酶RNA,模板DNA结合蛋白,TRF1和TRF2,端粒结构,a 端粒末端DNA序列和端粒酶及端粒酶中的RNA序列 b 端粒末端结构示意图,1端粒是染色体末端的结构,图 a,图 b,2着丝粒是连接两个染色单体的中心部位,着丝粒（centromere）在有丝分裂时，使染色体均等有序地进入子代细胞。着丝粒是一
